Устройство для измерения вертикальных деформаций и наклонов Советский патент 1992 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к геофизическому приборостроению и может быть применено для непрерывных наблюдений за наклонами и деформациями земной коры и контроля за поведением инженерных сооружений

Известен двухкоординатный цилиндрический наклономер, содержащий цилиндрический груз, закрепленный на одиночном жидком подвесе в цилиндрическом контейнере, на котором в районе расположения груза размещены четыре изолированных цилиндрических электрода, образующих с проводящим грузом четыре емкостных датчика с переменным зазором величины емкостей которых изменяются в соответствии с величиной и направлением наклона продольной оси контейнера

Устройство имеет малую чувствительность к наклонам из-за малой длины чодве- cd и сложную нелинейную зависимость

выходных сигналов от наклона, которая определяется конструкцией датчика.

Известно также устройство для измерения вертикальных деформаций и наклонов, содержащее вертикальный сосуд или скважину, где на требуемой глубине бетонируется якорь, с якорем жестко скрепляется ипвэрнал проволока, другой конец проволоки скреплен со штоком, соединенным через коромысло со свободно плавающим в ванне поплавком. Ванна крепится к измеряемому объекту Выталкивающая сила поплавка всегда поддерживает проволоку в нтгяну- том отвесном положении, что дает возможность определять относительно нее различные смещения измеряемого объекта

Однако точность измерения наклонов и вертикальных перемещений здесь мала и для измерения длительных процессов, развивающихся с малой скоростью, оно не может быть применено. Причины следующие Эталоном длины, относительно которого изсл

с

XI сл d го

ND 00

меряются вертикальные перемещения объекта, является инварная проволока, находящаяся под постоянной нагрузкой со стороны поплавка и собственного веса. Чтобы образовать достаточно надежную вертикаль, проволоке должна быть придана значительная вертикальная нагрузка. Следствием этих нагрузок являются собственные деформации эталона длины, приводящие к погрешности измерений. При использовании обратного отвеса для измерения наклонов он оснащается датчиками смещений измеряемого обьектя относительно вертикали, например двухкоорди- нэтным цилиндрическим датчиком емкостного типа. В данном варианте использования устройства, измеряемые емкостными датчиками смещения являются сложной, нелинейной функцией измеряемых углов наклона. Погрешность измерений, обусловленная линеаризацией, достигает 10%.

Целью изобретения является повышение точности и долговременной стабильности.

Эта цель достигается тем, что эталон длины размещен в вертикальном, заполненном жидкостью сосуде и разделен на две части, скрепленные с измеряемым обьектом подвесами, при этом нижняя часть сосуда снабжена якорем, с которым соединен нижний гибкий подвес эталона длины, верхний гибкий подвес которого связан с установочными элементами, причем верхняя часть эталона длины снабжена грузом, а нижняя - поплавком, части эталона длины связаны между собой датчиками смещений, соединенными с блоками обработки и регистрации сигналов, а также через блоки авто- матического регулирования с исполнительными механизмами установочных элементов.

На чертеже приведена принципиальная схема устройства.

Устройство содержит вертикальный, заполненный жидкостью термостатированный сосуд 1, разделенный на две части эталон 2 длины, скрепленный подвесами 3 с якорем 4 и столом 5, снабженным устройством 6 первоначальной установки, и испол- нительные механизмы перемещения верхней части эталона длины по горизонтали и вертикали, содержащие ползун 7. кото- рый приводится в движение двухкоординзтным линейным преобразователем 8 горизонтальных перемещений, и преобразователь 9 вертикальных перемещений, со своим приводом 10. Исполнительные механизмы перемещения управляются сигналами емкостных датчиков 11 преобразователей смещений, вызываемыми наклонами и вертикальными деформациями обьекта через блоки 12 и 13 автоматического регулирования. С них же

снимаются и подаются на обрабатывающие и регистрирующие устройства 14 и 15 сигналы, пропорциональные наклонам и вертикальным деформациям. К эталону 2 длины крепятся поплавки или грузы 16 для прида0 ния частям эталона длины необходимой плавучести. Вертикальный сосуд помещен в термостат 17.

Устройство для измерения вертикальных деформаций и наклонов работает сле5 дующим образом.

Устройство монтируется в заранее предусмотренном и подготовленном месте в теле измеряемого обьекта, вертикальные деформации и наклоны которого необходи0 мо изучать или контролировать. Производится первоначальная установка и настройка устройства. Вертикальное деформирование измеряемого обьекта изменяет расстояние между точками

5 закрепления якоря 4 и стола 5, при этом части эталона 2 длины получают линейное относительное перемещение вдоль вертикальной оси, которое преобразуется емкостным датчиком 11 в электрический сигнал,

0 пропорциональный величине перемещения. Этот сигнал через блок 13 автоматического регулирования управляет приводом 10, реализуя таким образом компенсационный принцип измерений. В качестве преоб5 разователя 9 вертикальных перемещений используется датчик мембранного типа, представляющий собой резервуар с толстыми стенками, куда под давлением вводится жидкость, например ртуть. При изменении

0 давления резервуар деформируется, эти, микросмещения используются для реализации вертикальных перемещений эталона длины при измерениях. Ртуть в полости датчика подводится через гибкий шланг, высо5 та которого изменяется приводом 10.

При наклонах измеряемого обьекта половины эталона 2 длины получают смещение вертикальных осей, которое приводит к изменениям зазоров двухкоординатного

0 емкостного датчика 11 горизонтальных перемещений. Они преобразуются каждый своим каналом в электрические сигналы, пропорциональные перемещениям и через блок 12 автоматического регулирования

5 подаются на двухкоординатный линейный преобразователь 8, перемещающий с помощью ползуна 7 точку подвеса верхней части эталона длины по двум горизонтальным осям, приводя вертикальные оси обеих половин эталона длины к соосности. При

этом также реализуется компенсационный принцип измерения наклонов. I of изон- тальные перемещения точки подвеса производятся дпумерным вибрационным приводом волнового типа с точечным контактом звеньев. Перемещения по координатам независимые.

Увеличение точности и долговременной надежности измерений достигается за счет размещения эталона 2 длины, датчиков 11 перемещений и дополнительных подвесов 3 о условиях постоянной температуры и инертной жидкости, введения компенсационного принципа измерений, размещения датчиков преобразователей смещений в середине эталона длины,

Размещение основных элементов устройства о жидкости позволяет увеличить долговременную стабильность их геометрических размеров и тем самым точность измерений, кроме того, разгрузить эталон длины, хотя бы частично, от нагрузок, вызванных собственным весом и приводящих к его крипу. За счет размещения датчиков в середине эталона длины исключается почти полностью погрешность измерений, возникающая при закреплении груза в одной точке вследствие нелинейной зависимости измеряемых при этом зазоров емкостных датчиков от угла наклона измеряемого объекта. Известно, что для маятникового наклономера с двухкоординатным емкостным датчиком максимального типа с частотным выходом частота сигнала на выходе ДР зависит от измеряемого угла наклона а следующим образом:

So(1 + tf Zo).

где So - крутизна характеристики преобразователя, Гц/град;

20 - параметр, определяющийся геометрическими характеристиками наклономера.

Частота на выходе датчика является нелинейной функцией угла наклона. При градуировке эту зависимость линеаризуют зависимостью вида

А Рл П Son,

где ЛРЛ и Зол, соответственно, частота и крутизна линеаризованного датчика.

При этом возникает погрешность линеаризации (равная разности этих функций;

д К Son Z0 о3 ,

где К - коэффициент, зависящий от выбора номинального значения угла наклона а и Зол, минимизирующих для Он величину t Погрешность преобразователя явл,ется функцией быстро растущей при увеличении измеряемого угла наклона.

При размещении емкостных датчиков перемещений в середине разделенного на две части эталона длины пластины их остаются параллельными при любых наклонах измеряемого объекта, изменяются только расстояния между ними, и сигнал на выходе частотного преобразователя пропорционален при этом величине a S0. Исчезает погрешность линеаризации и повышается точность измерения наклонов и деформаций. Этому же способствует и применение компенсационного принципа измерений. Формула изобретения

Устройство для из мерения вертикальных деформаций и наклонов, содержащее эталон длины, снабженный датчиками смещений, поплавком, помещенным в жидкости, и гибкими подвесами на концах, и

размещенный вертикально в сосуде, снабженном в нижней части якорем, с которым соединен нижний гибкий подвес эталона длины, верхний гибкий подвес которого связан с установочными элементами, соединенными

через исполнительные механизмы и блоки автоматического регулирования с соответствующими датчиками смещений, соединенными также с блоками обработки и регистрации сигналов, отличающееся

тем, что, с целью повышения точности и долговременной стабильности, эталон длины выполнен из двух отдельных частей, связанных между собой датчиками смещений, причем верхняя часть эталона длины снабжена грузом, а нижняя связана с поплавком, при этом сосуд заполнен жидкостью.

s

Использование1 в геофизическом приборостроении для непрерывных наблюдений за наклонами и деформациями земной коры и за поведением инженерных сооружений Сущность изобретения заключается в размещении эталона длины в вертикальном термостатированном, заполненном жидкостью сосуде. Эталон длины разделен на две части, скрепленные с измеряемым объектом подвесами, причем верхней части эталона длины придана отрицательная пла- оучесть, нижней - положительная Внутренними концами эталон длины взаимодействует с датчиками смещений, соединенными с блоком обработки и регистрации, а также через блок автоматического регулирования с исполнительным механизмом перемещения верхней части эталона длины. 1 ил